Επίδραση μονωτικών επικαλύψεων στη συμπεριφορά ανομοιογενών διακένων υπό κρουστικές τάσεις

Abstract

Τhe dielectric behaviour of dielectric-covered rod-bare plane air gaps under positive impulse voltages was investigated. The gap length varied between 2.5 and 15 cm, standard lightning and switching impulses were applied to the rod and the dielectric cover was made of PTFE or epoxy resin. The simple air gaps with a bare rod were regarded as reference. The discharge development pattern at breakdown for the composite gaps, with the dielectric-covered rod, is described as: an initial corona, emerging in air at the vicinity of the cover tip, is followed by coronas emerging along the cover surface, developing partly along the dielectric cover and in air alone. These surface coronas, increasing the electric field at the cover upper end, determine the inception conditions of a secondary corona. The latter emerging at the cover upper end may eventually cause breakdown, through a spark, that develops either along the cover surface or partly or solely in free air, bridging the gap that includes the dielectric cover length. The inception voltage of the initial corona increases significantly due to the insulating cover, however the initial corona inception field is lower for composite than simple gaps, especially for the case of PTFE cover. These results are interpreted in terms of the boundaries of the critical volume around the tip of the rod, possible assisting mechanisms of initial electrons production and surface charge accumulation. The extent of development of the surface corona is greater under lightning than switching impulse voltages and occurs at significantly lower applied field for the PTFE than epoxy resin cover. Surface corona development is associated with the characteristics of the initial corona and applied impulse voltage, and affects the inception of the secondary corona, hence also breakdown. The increase in the dielectric strength of the gaps due to the dielectric cover is associated with the coronas preceding breakdown.

Αντικείμενο της διατριβής αποτέλεσε η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς ανομοιογενών διακένων ράβδου-πλάκας με διηλεκτρική επικάλυψη στη ράβδο υπό θετικές κρουστικές τάσεις. Το μήκος του διακένου μεταβλήθηκε μεταξύ 2.5 και 15 cm, επιβλήθηκαν κανονικές εξωτερικές και εσωτερικές κρουστικές τάσεις στη ράβδο και το υλικό της επικάλυψης ήταν πολυτετραφθόροαιθυλένιο (PTFE) ή εποξική ρητίνη. Τα αποτελέσματα διερεύνησης της διηλεκτρικής συμπεριφοράς των απλών διακένων αέρα που μελετήθηκαν, δηλαδή αυτών χωρίς μονωτική επικάλυψη στη ράβδο, χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά. Η εξέλιξη της ηλεκτρικής εκκένωσης στα σύνθετα διάκενα, δηλαδή σε αυτά με επικάλυψη στη ράβδο, περιγράφεται από τα εξής στάδια: έναυση της αρχικής κορώνα στη περιοχή γύρω από την απόληξη της γυμνής ή επικαλλυμένης ράβδου, ανάπτυξη της επιφανειακής κορώνα από υψηλότερα σημεία της μονωτικής επικάλυψης, έναυση δευτερεύουσας κορώνα στην περιοχή της γυμνής ράβδου πάνω από το άνω όριο της μονωτικής επικάλυψης και, τέλος, ηλεκτρική διάσπαση μέσω ενός σπινθήρα από το γυμνό τμήμα της ράβδου προς τη γειωμένη πλάκα. Η έναυση της αρχικής κορώνα στα σύνθετα διάκενα συμβαίνει υπό υψηλότερη εφαρμοζόμενη τάση σε σχέση με τα απλά διάκενα, ωστόσο υπό χαμηλότερο εφαρμοζόμενο πεδίο, ιδιαίτερα για την περίπτωση της επικάλυψης από PTFE. Τα αποτελέσματα σχετικά με την έναυση της αρχικής κορώνα ερμηνεύονται με βάση την έκταση του κρίσιμου όγκου γύρω από την απόληξη της ράβδου, την ύπαρξη βοηθητικών μηχανισμών παραγωγής αρχικών ηλεκτρονίων καθώς και την συσσώρευση φορτίου στη διηλεκτρική επιφάνεια σαν αποτέλεσμα των προεκκενώσεων. Η έκταση ανάπτυξης της επιφανειακής κορώνα είναι μεγαλύτερη υπό εξωτερικές απ’ ότι υπό εσωτερικές κρουστικές τάσεις και συμβαίνει σε χαμηλότερα εφαρμοζόμενα πεδία για την επικάλυψη από PTFE σε σχέση με την επικάλυψη από εποξική ρητίνη. Η ανάπτυξη της επιφανειακής κορώνα συσχετίζεται με τα χαρακτηριστικά της αρχικής κορώνα και της εφαρμοζόμενης τάσης και επηρεάζει με τη σειρά της την έναυση της δευτερεύουσας κορώνα και επομένως την ηλεκτρική διάσπαση. Η αύξηση της τάσης διάσπασης στα σύνθετα σε σχέση με τα απλά διάκενα συσχετίζεται με τις εκκενώσεις κορώνα που προηγούνται της ηλεκτρικής διάσπασης.